JP5093515B2 - Quantum bit variable coupling method, quantum operation circuit using the same, and variable coupler - Google Patents

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Description

本発明は、主としてジョセフソン結合システムで構成される量子計算機（量子コンピュータ）や量子中継器等に適用される量子演算回路に関する。   The present invention relates to a quantum arithmetic circuit mainly applied to a quantum computer (quantum computer) composed of a Josephson coupling system, a quantum repeater, or the like.

近年、量子計算機（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）は、量子力学の基本原理を積極的に活用した新しい概念に基づく計算機として知られ、或る特定の問題（例えば、大きな自然数の素因数分解等）に対して現在の古典計算機と比べて桁違いの速度で計算を行うことができる。この量子計算機では、古典計算機でのビットに対応するものとして、量子ビットと呼ばれる量子２準位系が用いられる。尚、量子計算機で扱われる情報は、量子ビット素子に入力されるが、量子ビット素子は例えば異なる量子状態を持った原子と見做せるため、こうした量子状態のうちの２つが情報を保存するために使用される。
量子２準位系の候補としては幾つかあるが、量子ビット集積化の観点からは固体素子が有望である。特に、超伝導素子を用いた量子ビット素子はそのコヒーレンスの強固さ等から他の固体デバイスを大きくリードしている。
量子計算の実現に向けた超伝導量子ビット素子の一例としては、例えば、図２に示すような超伝導磁束量子ビット素子の基本構成（非特許文献１参照）が挙げられる。この超伝導磁束量子ビット素子は、ジョセフソン接合２０２を３つ有する超伝導ループ２０１中に量子化磁束の１／２付近の外部磁束を印加した際、超伝導ループ２０１を周回する永久電流が時計回りの状態、反時計回りの状態の２つの状態の重ね合わせ状態のときに最もエネルギーの低い２つの固有状態となると共に、有効な量子２準位系、即ち、量子ビットとして動作する。
ところで、量子計算においては、２ビットを用いた論理演算が必要不可欠であるため、量子計算機の実現には量子ビット素子間に何らかの方法で相互作用を持たせることが必要となる。量子ビット素子を集積化して量子ビット演算回路（量子演算回路）を構成するためには、量子ビット素子間の相互作用を導入することにより、２つの量子ビット素子間の条件付き演算ゲートが必要となる。
例えば、非特許文献１の超伝導磁束量子ビット素子間を結合した量子ビット演算回路（非特許文献２参照）では、図３に示されるように、２つの超伝導磁束量子ビット素子３０１，３０２のループの一部を共有させることにより、量子ビット素子間の磁気的結合を具現している。
こうした量子ビット素子間の結合は、この他にも幾つか提案されており、他の量子ビット演算回路（非特許文献３参照）では、図４に示されるように、２つの超伝導磁束量子ビット４０１，４０２のループ共有部分に大きなジョセフソン接合４０３を設け、インダクタンスを増大させることで相互作用を強めている。
更に、先に上げた非特許文献１は、図５に示されるように、超伝導磁束量子ビット素子５０１，５０２間に超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）５０４を含む超伝導ループを超伝導トランスフォーマー５０３として設け、超伝導磁束量子ビット素子５０１，５０２間の磁気的結合を実現した別の量子ビット演算回路をも開示している。
これに関連した更に他の技術に係る量子ビット演算回路（非特許文献４参照）では、図６に示されるように、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）６０４を含む超伝導ループを２つ対称に結合した超伝導トランスフォーマー６０３を設け、超伝導磁束量子ビット素子６０１，６０２間の磁気的結合を具現している。更に別の技術に係る量子ビット演算回路（非特許文献５参照）では、図７に示されるように、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）７０４を超伝導ループに対して直列でなく並列に配置した超伝導トランスフォーマー７０３を設け、超伝導磁束量子ビット素子７０１，７０２間の磁気的結合を実現している。
その他の量子ビット演算回路（非特許文献６参照）では、図８に示されるように超伝導磁束量子ビット素子８０１，８０２間に、電流バイアスされた超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）８０３を設け、この超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）８０３を介して超伝導磁束量子ビット素子８０１，８０２間の磁気的結合を実現している。
ここで、何れの量子ビット演算回路においても、各々量子ビット素子については長時間コヒーレンスを保つ必要がある。具体的には、量子ビット素子のコヒーレンスはバイアス条件に大きく依存することが知られており、丁度量子化磁束の１／２が印加された最適動作点で長いコヒーレンス時間が得られるようになっている（非特許文献７参照）。
更に、非特許文献６と同様な量子ビット演算回路が非特許文献８においても提案されている。具体的に説明すると、非特許文献８は、パラメトリックに２つの量子ビット素子間の結合を誘起するために、特性周波数の異なる２つの量子ビット素子間に、直流電流によってバイアスされた超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を設けた量子ビット演算回路を明らかにしている。この場合、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）は、臨界電流との関係で選択されたバイアス電流で直流的にバイアスされ、当該超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を電流バイアスによってバイアスしたときに得られる非線形なインダクタンスを利用している。また、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）には、２つの超伝導磁束量子ビット素子のそれぞれの特性周波数の差周波数に等しい周波数を有するマイクロ波磁場パルスを超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に印加することにより、２つの量子ビット素子間の結合を誘起させている。
「Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｑｕｂｉｔ」Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｌ．Ｌｅｖｉｔｏｖ，Ｌ．Ｔｉａｎ，Ｃ．Ｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａｌ，ａｎｄ Ｓ．Ｌｌｏｙｄ，ＡＵＧＵＳＴ１９９９ ＶＯＬ２８５ ＳＣＩＥＮＣＥ ｐ：１０３６（１９９９）． 「Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｎ Ｔｗｏ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｆｌｕｘ Ｑｕｂｉｔｓ」Ｊ．Ｂ．Ｍａｊｅｒ，Ｆ．Ｇ．Ｐａａｕｗ，Ａ．Ｃ．Ｊ．ｔｅｒ Ｈａａｒ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈａｒｍａｎｓ，ａｎｄ Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＲＴＴＥＲＳ（ＰＲＬ）９４，０９０５０１（２００５）． 「Ｄｉｒｅｃｔ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｆｌｕｘ ｑｕｂｉｔｓ」Ｍ．Ｇｒａｊｃａｒ，Ａ．Ｉｚｍａｌｋｏｖ，Ｓ．Ｈ．Ｗ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｌｏｅｇ，Ｓ．Ｌｉｎｚｅｎ，Ｅ．Ｉｌ’ｉｃｈｅｖ，Ｔｈ．Ｗａｇｎｅｒ，Ｕ．Ｈｕｂｎｅｒ，Ｈ．−Ｇ．Ｍｅｙｅｒ，Ａ．Ｍａａｓｓｅｎ ｖａｎ ｄｅｎ Ｂｒｉｎｋ，Ｓ．Ｕｃｈａｉｋｉｎ，ａｎｄ Ａ．Ｍ．Ｚａｇｏｓｋｉｎ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ ７２，０２０５０３（Ｒ）２００５． 「Ｔｕｎａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｆｏｒ Ｑｕｂｉｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｅｘ Ｓｔａｔｅｓ」Ｔ．Ｖ．Ｆｉｌｉｐｐｏｖ，Ｓ．Ｋ．Ｔｏｌｐｙｇｏ，Ｊ．Ｍａｎｎｉｋ，ａｎｄ Ｊ．Ｅ．Ｌｕｋｅｎｓ，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ ＶＯＬ．１３，ＮＯ．２．ＪＵＮＥ ｐ：１００５（２００３）． 「Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ Ｆｌｕｘ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｕｘ Ｑｕｂｉｔｓ」Ｃ．Ｃｏｓｍｅｌｌｉ，Ｍ．Ｇ．Ｃａｓｔｅｌｌａｎｏ，Ｆ．Ｃｈｉａｒｅｌｌｏ，Ｒ．Ｌｅｏｎｉ，Ｄ．Ｓｉｍｅｏｎｅ，Ｇ．Ｔｏｒｒｉｏｌｉ，Ｐ．Ｃａｒｅｌｌｉ，ａｒＸｉｖ：ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０４０３６９０ｖ１ ２９Ｍａｒ２００４． 「Ｅｎｔａｎｇｌｉｎｇ ｆｌｕｘ ｑｕｂｉｔｓ ｗｉｔｈ ａ ｂｉｐｏｌａｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ」Ｂ．Ｌ．Ｔ．Ｐｌｏｕｒｄｅ，Ｊ．Ｚｈａｎｇ，Ｋ．Ｂ．Ｗｈａｌｅｙ，Ｆ．Ｋ．Ｗｉｌｈｅｌｍ，Ｔ．Ｌ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，Ｔ．Ｈｉｍｅ，Ｓ．Ｌｉｎｚｅｎ，Ｐ．Ａ．Ｒｅｉｃｈａｒｄｔ，Ｃ．−Ｅ．Ｗｕ，ａｎｄ Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ ７０，１４０５０１（Ｒ）（２００４）． 「Ｄｅｐｈａｓｉｎｇ ｏｆ ａ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕｂｉｔ Ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｐｈｏｔｏｎ Ｎｏｉｓｅ」Ｐ．Ｂｅｒｔｅｔ，Ｉ．Ｃｈｉｏｒｅｓｃｕ，Ｇ．Ｂｕｒｋａｒｄ，Ｋ．Ｓｅｍｂａ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈａｒｍａｎｓ，Ｄ．Ｐ．ＤｉＶｉｎｃｅｎｚｏ，ａｎｄ Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ（ＰＲＬ）９５，２５７００２（２００５）． 「Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｏｒ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕｂｉｔｓ」Ｐ．Ｂｅｒｔｅｔ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈａｒｍａｎｓ，ａｎｄ Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ ７３，０６４５１２（２００６）． In recent years, a quantum computer has been known as a computer based on a new concept that actively utilizes the basic principles of quantum mechanics, and is currently used for certain problems (for example, prime factorization of large natural numbers). Computations can be performed at orders of magnitude faster than classical computers. In this quantum computer, a quantum two-level system called a qubit is used as one corresponding to the bit in the classical computer. Information handled by the quantum computer is input to the qubit device. Since the qubit device can be regarded as an atom having a different quantum state, for example, two of these quantum states store information. Used for.
Although there are several candidates for the quantum two-level system, solid-state devices are promising from the viewpoint of qubit integration. In particular, a qubit device using a superconducting device leads other solid devices greatly due to its coherence and the like.
As an example of a superconducting qubit device for realizing quantum computation, for example, a basic configuration of a superconducting flux qubit device as shown in FIG. 2 (see Non-Patent Document 1) can be cited. In this superconducting flux qubit device, when an external magnetic flux in the vicinity of ½ of the quantized magnetic flux is applied to the superconducting loop 201 having three Josephson junctions 202, the permanent current circulating around the superconducting loop 201 is a clock. In the superposition state of the two states of the rotating state and the counterclockwise state, the two eigenstates having the lowest energy are obtained, and operate as an effective quantum two-level system, that is, a qubit.
By the way, in a quantum calculation, a logical operation using 2 bits is indispensable. Therefore, in order to realize a quantum computer, it is necessary to provide an interaction between qubit elements by some method. In order to construct a qubit arithmetic circuit (quantum arithmetic circuit) by integrating qubit elements, a conditional operation gate between two qubit elements is required by introducing an interaction between the qubit elements. Become.
For example, in a qubit arithmetic circuit (see Non-Patent Document 2) in which the superconducting magnetic flux qubit elements of Non-Patent Document 1 are coupled, as shown in FIG. By sharing a part of the loop, the magnetic coupling between the qubit elements is realized.
Several other couplings between such qubit devices have been proposed. In another qubit arithmetic circuit (see Non-Patent Document 3), as shown in FIG. 4, two superconducting flux qubits are used. A large Josephson junction 403 is provided at the loop sharing portion of 401 and 402, and the interaction is strengthened by increasing the inductance.
Further, as shown in FIG. 5, the above-mentioned Non-Patent Document 1 includes a superconducting transformer including a superconducting magnetic flux quantum interference element (SQUID) 504 between superconducting magnetic flux qubit elements 501 and 502. Another qubit arithmetic circuit provided as 503 and realizing magnetic coupling between superconducting flux qubit elements 501 and 502 is also disclosed.
In a qubit arithmetic circuit (see Non-Patent Document 4) according to still another technique related to this, as shown in FIG. 6, two superconducting loops including a superconducting magnetic flux quantum interference element (SQUID) 604 are symmetrical. And a superconducting transformer 603 coupled to each other to implement magnetic coupling between the superconducting flux qubit elements 601 and 602. In a qubit arithmetic circuit according to another technology (see Non-Patent Document 5), as shown in FIG. 7, a superconducting magnetic flux quantum interference element (SQUID) 704 is arranged in parallel to the superconducting loop instead of in series. The superconducting transformer 703 is provided, and the magnetic coupling between the superconducting flux qubit elements 701 and 702 is realized.
In other qubit arithmetic circuits (see Non-Patent Document 6), as shown in FIG. 8, a superconducting magnetic flux quantum interference element (SQUID) 803 that is current-biased is provided between the superconducting magnetic flux qubit elements 801 and 802. The magnetic coupling between the superconducting flux qubit elements 801 and 802 is realized through the superconducting flux quantum interference element (SQUID) 803.
Here, in any qubit arithmetic circuit, it is necessary to maintain coherence for a long time for each qubit element. Specifically, it is known that the coherence of a qubit device greatly depends on the bias condition, and a long coherence time can be obtained at an optimum operating point at which 1/2 of the quantized magnetic flux is applied. (See Non-Patent Document 7).
Further, a qubit arithmetic circuit similar to Non-Patent Document 6 is also proposed in Non-Patent Document 8. Specifically, Non-Patent Document 8 describes a superconducting magnetic flux quantum biased by a direct current between two qubit devices having different characteristic frequencies in order to induce a coupling between the two qubit devices parametrically. A qubit arithmetic circuit provided with an interference element (SQUID) is clarified. In this case, the superconducting magnetic flux quantum interference device (SQUID) is dc-biased with a bias current selected in relation to the critical current, and when the superconducting magnetic flux quantum interference device (SQUID) is biased by a current bias. The nonlinear inductance obtained is used. Further, in the superconducting magnetic flux quantum interference device (SQUID), a microwave magnetic field pulse having a frequency equal to the difference frequency between the characteristic frequencies of the two superconducting magnetic flux qubit devices is applied to the superconducting magnetic flux quantum interference device (SQUID). By applying, coupling between the two qubit elements is induced.
“Josephson Persistent-Current Qubit” E. Mooij, T .; P. Orlando, L .; Levitov, L.M. Tian, C.I. H. van der Wal, and S.M. Lloyd, AUGUST 1999 VOL285 SCIENCE p: 1036 (1999). “Spectroscopy on Two Coupled Superflux Flux Qubits” B. Mayr, F.M. G. Paauw, A .; C. J. et al. ter Haar, C.I. J. et al. P. M.M. Harmans, and J.H. E. Mooij, PHYSICAL REVIEW LRTTERS (PRL) 94, 090501 (2005). "Direct Joseph coupling between superducting flux qubits" M. Grajcar, A .; Izmalkov, S.M. H. W. van der Ploeg, S.M. Linzen, E .; Il'ichev, Th. Wagner, U .; Hubner, H .; -G. Meyer, A.M. Maassen van den Brink, S.M. Uchakin, and A.A. M.M. Zagoskin, PHYSICAL REVIEW B 72,020503 (R) 2005. “Tunable Transformer for Qubits Based on Flex States” V. Filippov, S.M. K. Tolpygo, J .; Mannik, and J.M. E. Lukens, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL. 13, NO. 2. JUNE p: 1005 (2003). “Controllable Flux Coupling for the Integration of Flux Qubits” C.I. Cosmelli, M.M. G. Castellano, F.M. Chiarello, R.A. Leoni, D.M. Simone, G.M. Torrioli, P.M. Carelli, arXiv: cond-mat / 40303690v1 29Mar2004. “Entangling flux qubits with a bipolar dynamic inductance”. L. T.A. Pourde, J. et al. Zhang, K .; B. Whaley, F.M. K. Wilhelm, T .; L. Robertson, T .; Hime, S .; Linzen, P.M. A. Reichardt, C.I. -E. Wu, and J.M. Clarke, PHYSICAL REVIEW B 70, 140501 (R) (2004). “Dephasing of a Superducting Qubit Induced by Photon Noise”, p. Berett, I. et al. Chiorescu, G .; Burkard, K.M. Semba, C.I. J. et al. P. M.M. Harmans, D.M. P. DiVincenzo, and J.M. E. Mooij, PHYSICAL REVIEW LETTERS (PRL) 95, 257002 (2005). "Parametric coupling for superconducting qubits" P. Berett, C.I. J. et al. P. M.M. Harmans, and J.H. E. Mooij, PHYSICAL REVIEW B 73, 064512 (2006).

上述した非特許文献１〜８に係る量子ビット演算回路の場合、量子ビット素子間の結合に際して技術的に幾つかの問題点を抱えている。
具体的に言えば、図３，図４に示した非特許文献２，３に係る量子ビット演算回路の場合、結合インダクタンスとして、超伝導ループの一部やジョセフソン接合を用いているため、量子ビット素子（超伝導磁束量子ビット素子）間の結合インダクタンスが可変でなく、これによって量子ビット素子間の相互作用が固定されてしまい、可変でないという問題（第１の問題点）がある。
又、図５，図７に示した量子ビット演算回路を示した特許文献１、５のうち、非特許文献１では、量子ビット素子間の相互作用をオフにするために超伝導磁束量子干渉素子に量子化磁束の半分の磁束を印加すると、超伝導磁束量子干渉素子の臨界電流が０になってジョセフソン接合が有限電圧状態にスイッチしてしまい、散逸が生じてコヒーレントな磁気的結合ができなくなる。この結果、超伝導磁束量子干渉素子の臨界電流が小さくなり過ぎてしまう。他方、非特許文献５では、超伝導磁束量子干渉素子が超伝導トランスフォーマーループに対して並列に配置されていることに起因し、超伝導磁束量子干渉素子の内部の磁束を変化させてそのインダクタンスを変化させても、量子ビット素子間の結合インダクタンスを完全に０にすることはできず、こうしたときには何れも量子ビット素子間の結合（相互作用）を完全にオフすることができないという問題（第２の問題点）がある。
更に、図６に示した非特許文献４に係る量子ビット演算回路の場合、結合用の超電導トランスフォーマー中における超伝導磁束量子干渉素子の幾何学的形状に起因し、相互作用をオフするために量子ビット素子自体を特別な構造の対称性としているため、特定のタイプの量子ビット素子、即ち、超伝導磁束量子ビット素子にしか応用することができないという問題（第３の問題点）がある。
一方、図８に示した非特許文献６に係る量子ビット演算回路の場合、量子ビット素子間の結合（相互作用）を完全にオフにするために隣り合う量子ビット素子間の直接的な磁気的結合とその間に挟まれた超伝導磁束量子干渉素子を介した磁気的結合の相殺現象とを利用している。このことに起因し、隣接配置される量子ビット素子間の直接的な磁気的結合を利用するためには、量子ビット素子間の距離を小さくしなくてはならず、この結果、制御信号間のクロストークを抑制することができない。このため、個々の量子ビット素子の状態を制御する際、或いは、量子ビット素子間の相互作用を制御する際に流す制御用電流が他の量子ビット素子や超伝導磁束量子干渉素子にクロスカップリングすることを防ぐことができないという問題（第４の問題点）がある。
その他、図８に示した量子ビット演算回路に関連する非特許文献７の技術を導入した場合には、結合（相互作用）を制御するために超伝導磁束量子干渉素子に流す電流に起因し、そこに流れる電流の変化が両側の量子ビット素子に加わる磁束を変化させるため、量子ビット素子間の結合（相互作用）を制御する際に量子ビット素子のバイアス点が変化してしまい、量子ビット素子の動作点が最適条件からずれることにより、量子ビット素子のコヒーレンス時間が短くなってしまうという問題（第５の問題点）がある。
更に、非特許文献８の技術を導入した場合には、結合（相互作用）を制御するために超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に臨界電流に関連した電流を流すと、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に侵入してくるノイズ電流がその左右のブランチを非対称に流れるため、量子ビット素子に磁気的に結合してコヒーレンスを乱してしまう。これによって、量子ビット素子間の結合（相互作用）を制御するための制御線を通じて外部から侵入して来るノイズと量子ビット素子との結合が強くなってしまうことにより、量子ビット素子のコヒーレンスが損なわれてしまうという問題（第６の問題点）がある。
本発明の課題は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、特性周波数が異なる量子ビット素子間を可変可能に結合する量子ビット結合方法、量子演算回路、及び、可変結合器を提供することである。
本発明の他の課題は、長いコヒーレンス時間を維持したまま量子ビット素子間の結合の相互作用を適確に可変制御できる量子ビット可変結合方法及びそれを適用した量子演算回路、並びに可変結合器を提供することにある。In the case of the qubit arithmetic circuits according to Non-Patent Documents 1 to 8 described above, there are technical problems in coupling between qubit elements.
Specifically, in the case of the qubit arithmetic circuits according to Non-Patent Documents 2 and 3 shown in FIG. 3 and FIG. 4, a part of a superconducting loop or a Josephson junction is used as a coupling inductance. There is a problem (first problem) that the coupling inductance between the bit elements (superconducting magnetic flux qubit elements) is not variable, and the interaction between the qubit elements is thereby fixed and is not variable.
Of Patent Documents 1 and 5 showing the qubit arithmetic circuit shown in FIG. 5 and FIG. 7, Non-Patent Document 1 describes a superconducting flux quantum interference element for turning off the interaction between qubit elements. When a magnetic flux that is half of the quantized magnetic flux is applied to the superconducting magnetic flux quantum interference element, the critical current of the superconducting magnetic flux quantum interference element becomes zero, and the Josephson junction is switched to a finite voltage state, resulting in dissipation and coherent magnetic coupling. Disappear. As a result, the critical current of the superconducting magnetic flux quantum interference device becomes too small. On the other hand, in Non-Patent Document 5, due to the fact that the superconducting flux quantum interference element is arranged in parallel with the superconducting transformer loop, the inductance inside the superconducting flux quantum interference element is changed by changing the magnetic flux inside the superconducting flux quantum interference element. Even if it is changed, the coupling inductance between the qubit elements cannot be completely reduced to zero, and in any of these cases, the coupling (interaction) between the qubit elements cannot be completely turned off (second problem) Problem).
Furthermore, in the case of the qubit arithmetic circuit according to Non-Patent Document 4 shown in FIG. 6, the quantum conduction circuit is turned off in order to turn off the interaction due to the geometric shape of the superconducting flux quantum interference element in the coupling superconducting transformer. Since the bit element itself has a special structure symmetry, there is a problem (third problem) that it can be applied only to a specific type of qubit element, that is, a superconducting flux qubit element.
On the other hand, in the case of the qubit arithmetic circuit according to Non-Patent Document 6 shown in FIG. 8, in order to completely turn off the coupling (interaction) between qubit elements, direct magnetic coupling between adjacent qubit elements is performed. It utilizes the coupling and the canceling phenomenon of magnetic coupling via a superconducting magnetic flux quantum interference device sandwiched between them. Due to this, in order to utilize direct magnetic coupling between adjacent qubit elements, the distance between qubit elements must be reduced, and as a result, between control signals. Crosstalk cannot be suppressed. For this reason, when controlling the state of individual qubit devices or controlling the interaction between qubit devices, the control current that flows is cross-coupled to other qubit devices and superconducting flux quantum interference devices. There is a problem (fourth problem) that it cannot be prevented.
In addition, when the technique of Non-Patent Document 7 related to the qubit arithmetic circuit shown in FIG. 8 is introduced, it is caused by the current that flows in the superconducting magnetic flux quantum interference element in order to control the coupling (interaction). Since the change of the current flowing there changes the magnetic flux applied to the qubit devices on both sides, the bias point of the qubit device changes when controlling the coupling (interaction) between the qubit devices, and the qubit device There is a problem (fifth problem) that the coherence time of the qubit element is shortened by the deviation of the operating point from the optimum condition.
Furthermore, when the technique of Non-Patent Document 8 is introduced, if a current related to the critical current is passed through the superconducting magnetic flux quantum interference element (SQUID) to control the coupling (interaction), the superconducting magnetic flux quantum interference is performed. Since the noise current entering the element (SQUID) flows asymmetrically in the left and right branches, it is magnetically coupled to the qubit element and disturbs the coherence. As a result, the coherence of the qubit device is impaired by the strong coupling between the noise entering from the outside through the control line for controlling the coupling (interaction) between the qubit devices and the qubit device. There is a problem (sixth problem).
An object of the present invention is to solve such problems, and the technical problem is that a qubit coupling method, a quantum operation circuit, and a qubit coupling method for variably coupling qubit elements having different characteristic frequencies, and It is to provide a variable coupler.
Another object of the present invention is to provide a qubit variable coupling method capable of appropriately variably controlling the coupling interaction between qubit elements while maintaining a long coherence time, a quantum operation circuit using the same, and a variable coupler. It is to provide.

本発明によれば、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する量子ビット結合方法において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合したときの相互作用を該結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加することによりパラメトリックに可変制御する制御段階を有する量子ビット可変結合方法が得られる。
又、本発明によれば、上記量子ビット可変結合方法において、制御段階では、結合用量子ビット素子により第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間の結合をオンオフする量子ビット可変結合方法が得られる。
更に、本発明によれば、上記量子ビット可変結合方法において、制御段階では、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子として、量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子を隣接配置し、結合用量子ビット素子として、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子を用いた超伝導磁束量子ビット可変結合方法が得られる。
一方、本発明によれば、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子と、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子とを有する量子演算回路が得られる。
加えて、本発明によれば、上記量子演算回路において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子は、隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子であり、結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子である量子演算回路が得られる。
他方、本発明によれば、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を可変結合する可変結合器において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子から成る可変結合器が得られる。この可変結合器において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子が隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子である場合における結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子であることが好ましい。According to the present invention, in a qubit coupling method for coupling a first qubit element and a second qubit element, a coupling qubit element is connected between the first qubit element and the second qubit element. Thus, a qubit variable coupling method having a control step of variably controlling the interaction when coupled by parametrically by applying a microwave pulse to the coupling qubit element is obtained.
According to the present invention, in the qubit variable coupling method, in the control step, the qubit variable coupling in which coupling between the first qubit element and the second qubit element is turned on / off by the coupling qubit element. A method is obtained.
Furthermore, according to the present invention, in the qubit variable coupling method described above, at the control stage, the first qubit device and the second qubit device are biased with ½ of the quantized magnetic flux and have a characteristic frequency. A superconducting magnetic flux qubit device having a different number is arranged adjacent to each other to form a superconducting loop having a predetermined number of Josephson couplings as a coupling qubit device, and as a microwave pulse to turn the coupling on and off Superconducting magnetic flux using a coupling superconducting flux qubit device having a characteristic frequency different from that of the superconducting flux qubit device inducing coupling between the two of the superconducting flux qubit device by applying a microwave magnetic field pulse A qubit variable coupling method is obtained.
On the other hand, according to the present invention, the first qubit device and the second qubit device are coupled between the first qubit device and the second qubit device, and the coupling interaction is A quantum arithmetic circuit having a coupling qubit element variably controlled parametrically by application of a microwave pulse is obtained.
In addition, according to the present invention, in the above quantum operation circuit, the first qubit device and the second qubit device are arranged adjacent to each other and biased by ½ of the quantization magnetic flux, and the characteristic frequency is Different superconducting flux qubit devices, the coupling qubit device having a predetermined number of Josephson couplings to form a superconducting loop and a microwave magnetic field as a microwave pulse to turn the coupling on and off A quantum arithmetic circuit that is a coupling superconducting flux qubit device having a characteristic frequency different from that of the superconducting flux qubit device that induces coupling between two superconducting flux qubit devices by applying a pulse is obtained.
On the other hand, according to the present invention, in the variable coupler that variably couples between the first qubit element and the second qubit element, the first qubit element and the second qubit element are coupled. In addition, a variable coupler composed of a coupling qubit device that variably controls the coupling interaction parametrically by applying a microwave pulse can be obtained. In this variable coupler, when the first qubit device and the second qubit device are arranged adjacent to each other and biased by ½ of the quantized magnetic flux, the superconducting flux qubit device has a different characteristic frequency. The coupling qubit device in FIG. 1 has a superconducting loop having a predetermined number of Josephson couplings, and a superconducting flux qubit by applying a microwave magnetic field pulse as a microwave pulse to turn the coupling on and off. Preferably, the superconducting flux qubit device for coupling has a characteristic frequency different from that of the superconducting flux qubit device inducing coupling between the two of the devices.

本発明の量子ビット可変結合方法によれば、隣接配置される第１の量子ビット素子，第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合（各量子ビット素子は何れも特性周波数が異なる）したときの相互作用を結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加することによりパラメトリックに可変制御（結合をオンオフ）するため、各量子ビット素子における長いコヒーレンス時間を維持したまま各量子ビット素子の間の結合の相互作用を適確に可変制御できるようになる。又、本発明の量子ビット結合方法を適用した量子演算回路においても、結合用量子ビット素子（所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成る）を有する可変結合器を第１の量子ビット素子，第２の量子ビット素子の間に介在させた構成となるため、同等な効果を具現するものとなり、基本的な特性や性能（小型・軽量化，高速動作化，低消費電力化，高集積化，構成簡易化）が向上すると共に、信頼性，生産性，保守性においても従来に無く向上し、且つ資源の再利用性についても有効に図り得るようになる。   According to the qubit variable coupling method of the present invention, the first qubit element and the second qubit element arranged adjacent to each other are coupled by a coupling qubit element (each qubit element has a characteristic frequency). The interaction between the qubit devices is variably controlled parametrically by applying a microwave pulse to the coupling qubit device (coupling is turned on and off), so that each qubit device maintains a long coherence time and maintains a long coherence time. It becomes possible to accurately and variably control the coupling interaction between the bit elements. Also in the quantum operation circuit to which the qubit coupling method of the present invention is applied, a variable coupler having a coupling qubit element (having a predetermined number of Josephson couplings to form a superconducting loop) is provided. Since the structure is interposed between the first qubit device and the second qubit device, the same effect is realized, and the basic characteristics and performance (smaller, lighter, faster operation, lower consumption) Power consumption, high integration, and simplified configuration), reliability, productivity, and maintainability are improved as compared to conventional ones, and resource reusability can be effectively achieved.

図１は、本発明の量子ビット可変結合方法を適用した実施例に係る可変結合器を含む量子演算回路の基本構成及び特性を示した図で、（ａ）は基本構成を示す回路図に関するもの，（ｂ）はその要部である可変結合器の印加磁束量子数に対するエネルギー依存特性に関するもの，（ｃ）は可変結合器の印加磁束量子数に対する周回電流（期待値）依存特性に関するもの，（ｄ）は可変結合器の印加磁束量子数に対するインダクタンス依存特性に関するものである。
図２は、非特許文献１の超伝導磁束量子ビット素子の基本構成を示した模式図である。
図３は、図２に示す超伝導磁束量子ビット素子間を結合した非特許文献２の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図４は、非特許文献３の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図５は、図２に示す超伝導磁束量子ビット素子間を結合した非特許文献１の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図６は、非特許文献４の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図７は、非特許文献５の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図８は、非特許文献６の量子ビット演算回路を示した模式図である。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration and characteristics of a quantum arithmetic circuit including a variable coupler according to an embodiment to which the qubit variable coupling method of the present invention is applied, and (a) relates to a circuit diagram showing the basic configuration. , (B) relates to the energy dependence characteristics of the magnetic flux quantum number of the variable coupler which is the main part, (c) relates to the circuit current (expected value) dependence characteristics of the magnetic flux quantum number of the variable coupler, d) relates to the inductance dependence characteristics of the variable coupler with respect to the applied magnetic flux quantum number.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the basic configuration of the superconducting magnetic flux qubit element of Non-Patent Document 1.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a qubit arithmetic circuit of Non-Patent Document 2 in which the superconducting magnetic flux qubit elements shown in FIG. 2 are coupled.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a qubit arithmetic circuit of Non-Patent Document 3.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a qubit arithmetic circuit of Non-Patent Document 1 in which the superconducting magnetic flux qubit elements shown in FIG. 2 are coupled.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a qubit arithmetic circuit of Non-Patent Document 4.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a qubit arithmetic circuit of Non-Patent Document 5.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a qubit arithmetic circuit of Non-Patent Document 6.

符号の説明Explanation of symbols

１０１，１０２，３０１，３０２，４０１，４０２，５０１，５０２，６０１，６０２，７０１，７０２，８０１，８０２ 超伝導磁束量子ビット素子
１０３ 結合用超伝導磁束量子ビット素子
２０１ 超伝導ループ
２０２ ジョセフソン接合
４０３ 結合用ジョセフソン接合
５０３，６０３，７０３ 超伝導トランスフォーマー
５０４，６０４，７０４ 超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）
８０３ 結合用超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）101, 102, 301, 302, 401, 402, 501, 502, 601, 602, 701, 702, 801, 802 Superconducting flux qubit device 103 Superconducting flux qubit device for coupling 201 Superconducting loop 202 Josephson junction 403 Josephson junction for coupling 503,603,703 Superconducting transformer 504,604,704 Superconducting flux quantum interference element (SQUID)
803 Superconducting magnetic flux quantum interference device for coupling (SQUID)

本発明の量子ビット結合方法を原理的に説明すると、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する際、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合したときの相互作用を結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加することによりパラメトリックに可変制御する制御段階を有するものである。また、この制御段階では、結合用量子ビット素子により第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間の結合をオンオフするものである。
即ち、本発明は、結合用量子ビット素子には、電流バイアス電流を直流敵に流すことなく、第１及び第２の量子ビット素子の間をパラメトリックに可変制御することを特徴としている。
また、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子は、互いに異なる特性周波数を備えると共に、互いに隣接配置された超伝導磁束量子ビット素子によって構成されている。第１及び第２の量子ビット素子は、所定数のジョセフソン接合を備え、それぞれ量子化磁束の１／２でバイアスされている。
一方、結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有し、超伝導ループを形成すると共に、第１及び第２の量子ビット素子とは異なる特性周波数を有している。また、当該結合用量子ビット素子には、第１及び第２の量子ビット素子間の結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスが印加され、これによって、２つの超伝導磁束量子ビット素子間を結合させている。この場合、結合用量子ビット素子に印加されるマイクロ波磁場パルスの周波数は、第１及び第２の量子ビット素子の特性周波数の差に等しい周波数を有することが望ましい。
以下、上記した超伝導磁束量子ビット可変結合方法をより具体的に説明する。第１の超伝導磁束量子ビット素子及び第２の超伝導磁束量子ビット素子は、外部から印加される静的な磁場によりコヒーレンスを保つための最適バイアス点である量子化磁束の１／２でバイアスされ、１ビットの状態の制御については第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の各々特性周波数Δ１，Δ２に共鳴するマイクロ波磁場パルスを印加することで実行される。又、隣接配置される第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の特性周波数Δ１，Δ２は互いに異なる離調したものである。一方、第１の超伝導磁束量子ビット素子及び第２の超伝導磁束量子ビットの間に設けられた結合用超伝導磁束量子ビット素子の特性周波数Δ３についても、特性周波数Δ１，Δ２とは大きく離れている。この結合用超伝導磁束量子ビット素子は、環境温度に相当する熱エネルギーよりも十分大きくて常に基底状態にあり、量子化磁束の１／２から僅かに外れた磁束でバイアスされるものであり、非特許文献６及び８に示された超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）とは異なり、バイアス電流によって直流的にバイアスされていない。
ここで、それぞれ特性周波数が異なる第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間を結合用超伝導磁束量子ビット素子で結合した場合の基本動作について説明すれば、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間に外部からマイクロ波磁場パルスを与えない状態でも磁気的な結合は存在するが、この場合には結合強度よりも大きい離調を示す｜Δ１−Δ２｜の周波数差を持つ。このため、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間のエネルギーの受け渡しは行われず、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子（量子ビット素子）の間の結合の相互作用は実効的にオフとなる。また、結合用超伝導磁束量子ビット素子には、バイアス電流が流されていないため、バイアス電流に伴うノイズ電流の侵入等による悪影響は生じない。
次に、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子（量子ビット素子）の間の結合をオンするためには、周波数差｜Δ１−Δ２｜のマイクロ波磁場パルスを結合用超伝導磁束量子ビット素子に対して印加すれば良い。このとき、結合用超伝導磁束量子ビット素子のインダクタンスは、磁束の関数となっており、印加されるマイクロ波磁場パルスにより振動的に変化するため、マイクロ波磁場パルスの強度に比例して第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間の結合がパラメトリックに誘起されることになる。
以下は、本発明の量子ビット結合方法を適用した可変結合器を含む量子演算回路の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。The qubit coupling method of the present invention will be described in principle. When the first qubit element and the second qubit element are coupled, the first qubit element and the second qubit element are coupled. A control step of variably controlling the interaction when coupled by the qubit device for use in a parametric manner by applying a microwave pulse to the qubit device for coupling. In this control stage, the coupling between the first qubit element and the second qubit element is turned on and off by the coupling qubit element.
That is, the present invention is characterized in that the coupling qubit element is variably controlled between the first and second qubit elements in a parametric manner without causing a current bias current to flow to the DC enemy.
The first qubit device and the second qubit device are composed of superconducting magnetic flux qubit devices having mutually different characteristic frequencies and arranged adjacent to each other. The first and second qubit devices have a predetermined number of Josephson junctions, and are each biased with ½ of the quantized magnetic flux.
On the other hand, the coupling qubit element has a predetermined number of Josephson couplings, forms a superconducting loop, and has a characteristic frequency different from that of the first and second qubit elements. In addition, a microwave magnetic field pulse is applied to the coupling qubit device as a microwave pulse in order to turn on and off the coupling between the first and second qubit devices, whereby two superconducting flux qubits The elements are coupled. In this case, it is desirable that the frequency of the microwave magnetic field pulse applied to the coupling qubit device has a frequency equal to the difference between the characteristic frequencies of the first and second qubit devices.
Hereinafter, the above-described superconducting flux qubit variable coupling method will be described in more detail. The first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device are biased at ½ of the quantized magnetic flux, which is an optimum bias point for maintaining coherence by a static magnetic field applied from the outside. The control of the 1-bit state is performed by applying a microwave magnetic field pulse that resonates with the characteristic frequencies Δ1 and Δ2 of the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device, respectively. The The characteristic frequencies Δ1 and Δ2 of the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device arranged adjacent to each other are differently detuned from each other. On the other hand, the characteristic frequency Δ3 of the coupling superconducting flux qubit device provided between the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit is also far from the characteristic frequencies Δ1 and Δ2. ing. This coupling superconducting flux qubit element is sufficiently larger than the thermal energy corresponding to the ambient temperature and always in the ground state, and is biased with a magnetic flux slightly deviating from 1/2 of the quantized magnetic flux, Unlike the superconducting magnetic flux quantum interference device (SQUID) shown in Non-Patent Documents 6 and 8, it is not biased in a direct current by a bias current.
Here, the basic operation when the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device having different characteristic frequencies are coupled by the coupling superconducting flux qubit device will be described. There is a magnetic coupling between the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device even when no microwave magnetic field pulse is applied from the outside. It has a frequency difference of | Δ1−Δ2 | indicating a large detuning. Therefore, energy is not transferred between the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device, and the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device are not transferred. The coupling interaction between the elements (qubit elements) is effectively turned off. In addition, since no bias current is applied to the coupling superconducting magnetic flux qubit element, there is no adverse effect due to intrusion of noise current associated with the bias current.
Next, in order to turn on the coupling between the first superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device (qubit device), a microwave magnetic field pulse having a frequency difference | Δ1−Δ2 | May be applied to the superconducting flux qubit device for coupling. At this time, the inductance of the coupling superconducting magnetic flux qubit element is a function of the magnetic flux, and changes in vibration by the applied microwave magnetic field pulse, so that the first is proportional to the intensity of the microwave magnetic field pulse. The coupling between the superconducting flux qubit device and the second superconducting flux qubit device is induced parametrically.
Hereinafter, embodiments of a quantum operation circuit including a variable coupler to which the qubit coupling method of the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

図１は、本発明の量子ビット可変結合方法を適用した実施例に係る可変結合器を含む量子演算回路の基本構成及び特性を示したもので、同図（ａ）は基本構成を示す回路図に関するもの，同図（ｂ）はその要部である可変結合器の印加磁束量子数に対するエネルギー依存特性に関するもの，同図（ｃ）は可変結合器の印加磁束量子数に対する周回電流（期待値）依存特性に関するもの，同図（ｄ）は可変結合器の印加磁束量子数に対するインダクタンス依存特性に関するものである。
この量子演算回路は、それぞれ、所定数（ここでは３個）のジョセフソン結合を有し、且つ、超伝導ループを形成すると共に、互いに隣接配置された第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２とを備えている。更に、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び１０２との間には、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３が設けられている。
図示された結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３は、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１、１０２と同様に所定数（ここでも３個）のジョセフソン結合を有し、且つ、超伝導ループを形成している。また、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３は、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１と第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２との間を結合し、且つ結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する可変結合器（超伝導トランスフォーマー）としての機能として動作する。
具体的に説明すると、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２は、互いに異なる特性周波数（ここでは、Δ１及びΔ２）を備え、且つ、量子化磁束の１／２でバイアスされている。一方、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３は、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２とは異なる特性周波数（ここでは、Δ３であらわす）を有し、マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスを印加することにより、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び１０２に間の結合をオンオフすることができる。この例では、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３に、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２の周波数差に等しいマイクロ波磁場パルスを印加することにより第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２の間の結合を誘起する。
図１（ａ）に示される量子演算回路の場合、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１は情報を読み出したい量子ビット、第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２は読み出し回路とし、これらの間に結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を配置した構成となっている。
これらの各量子ビット素子１０１〜１０３の電気回路は、何れも高周波領域での損失（ロス）が少ない絶縁体基板（図示せず）上に形成されるものである。基板材料としては、サファイア，酸化マグネシウム，熱酸化膜が成膜されたシリコン等を例示できる。電気回路用の各配線は全て超伝導配線であり、電流を流すことによる発熱は０である。超伝導材料としては、アルミニウム，ニオブ，窒化ニオブ等を例示できる。
２つの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２については、何れも上述した通りに３つのジョセフソン接合を持つ超伝導ループから成るが、３つのジョセフソン接合のうちの１つ（中央部分に位置されるもの）は他の隣接する２つのものよりも若干小さくなっている。超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２における特性周波数Δ１，Δ２は、５ＧＨｚ程度の使用周波数となるように設計されているが、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の差周波数（離調｜Δ１−Δ２｜）は、１ＧＨｚ程度になるように設計される。これらの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２は、外部から印加される静的な磁場によりコヒーレンスを保つための最適バイアス点、即ち、上述したように量子化磁束の１／２でバイアスされる。
結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３については、特性周波数Δ３を１５ＧＨｚ程度にして超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の特性周波数Δ１，Δ２とは大きく離れるようにし、又環境温度１０ｍＫに相当する熱エネルギーよりも十分大きく、常に基底状態にあるようにされるもので、量子化磁束の１／２から僅かに外れた磁束でバイアスされる。
可変結合器である結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３について、図１（ｂ）に示す印加磁束量子数に対するエネルギー依存特性（エネルギーの磁束依存性）、図１（ｃ）に示す印加磁束量子数に対する周回電流（期待値）依存特性（先の磁束に関する微分をとったもので、周回電流の期待値として表わされる）、並びに、図１（ｄ）に示す印加磁束量子数に対するインダクタンス依存特性（更に磁束に関する微分をとったもので、自己インダクタンスＬＱの逆数１／ＬＱを磁束の関数として表わされる）は、何れも波形上では基底状態が励起状態との対比で横軸の印加磁束量子数の増加変化に対して縦軸の物理量や電気的数値において、増減変化する対称的な形状を示していることが判る。因みに、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２についても、同様の性質を持っているものである。
ここで、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の実効的相互インダクタンスＬｅｆｆについて考察すると、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の相互インダクタンスをＭ１２、超伝導磁束量子ビット素子１０１と結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３との間の相互インダクタンスをＭ１３、超伝導磁束量子ビット素子１０２と結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３との間の相互インダクタンスをＭ２３とした場合、Ｌｅｆｆ＝Ｍ１２−Ｍ１３Ｍ２３／ＬＱなる関係式で表わされるため、ＬＱの磁束依存性を介して結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を貫く磁束の関数になっていることが判る。
図１（ｄ）中の基底状態において黒丸印に示すように結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３の磁束バイアスを実効的相互インダクタンスの変化が最も大きい点に設定した場合を想定する。このとき、外部からマイクロ波磁場パルスを与えない状況下にあっても、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間には磁気的結合が存在するものの、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２がそれらを周回する超伝導電流の期待値が０となる最適動作点にバイアスされていること、並びに、磁気的結合の強度よりも大きい差周波数（離調｜Δ１−Δ２｜）に置かれていることにより、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間のエネルギーの受け渡しは行われず、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合の相互作用は実効的にオフになっている。
これらの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合の相互作用をオンするには、差周波数（離調｜Δ１−Δ２｜）のマイクロ波磁場パルスを結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３へ印加すれば良い。こうした場合、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３のインダクタンスは磁束の関数となっており、マイクロ波磁場パルスによって磁束の関数が振動的に変化するため、マイクロ波磁場パルスの強度に比例して超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合がパラメトリックに誘起されることになる。
このような量子演算回路の場合、隣接配置される超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の相互結合作用を、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を介して可変制御できるため、従来の第１の問題点であった量子ビット素子間の相互作用が固定されてしまい、可変でないという問題が解消される。
又、この量子演算回路の場合、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２を特性周波数の大きく異なるものとして量子化磁束の１／２でバイアスして用いていることにより、静的な磁気的結合を無視することができ、マイクロ波磁場パルスを印加しないオフ状態では超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合の相互作用を完全にオフすることができるため、従来の第２の問題点であった量子ビット素子間の結合（相互作用）を完全にオフすることができないという問題が解消される。
更に、この量子演算回路の場合、マイクロ波磁場パルスを用いてパラメトリックに結合（相互作用）を誘起することにより、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合（相互作用）を制御する際に各量子ビット素子１０１〜１０３のバイアス点が変化せず（特に結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３では顕著）、量子ビット素子１０１〜１０３の動作点が最適条件からずれないことにより、各々量子ビット素子（特に超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２）のコヒーレンス時間を長く保つことのできるため、従来の第５の問題点であった量子ビット素子の動作点が最適条件からずれることにより、量子ビット素子のコヒーレンス時間が短くなってしまうという問題が解消される。
加えて、この量子演算回路の場合、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合のために隣接配置される超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の直接的な磁気的結合を利用せず、超伝導トランスフォーマーとしての結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を利用することで、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の距離を十分大きく取れ、量子ビット制御のための信号間のクロストークを抑制することができるため、従来の第４の問題点であった量子ビット素子の状態を制御する際や、量子ビット素子間の相互作用を制御する際に流す制御用電流が他の量子ビット素子にクロスカップリングすることを防ぐことができないという問題が解消される。
更に、この量子演算回路の場合、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合（相互作用）をオフするために超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２自体の対称性を利用していないため、使用する量子ビット素子のタイプや配置に制約が少なく、従来の第３の問題点であった結合（相互作用）をオフするために量子ビット素子自体を特別な構造の対称性とすることによる制約の問題（超伝導磁束量子ビット素子にしか応用することができない）が解消される。
また、この量子演算回路の場合、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３のバイアス条件を最適化することにより、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３内の磁束の揺らぎが超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２のコヒーレンスに影響を与えるのを防ぎ、付加的なデコヒーレンスを与えないようにすることができるため、従来の第６の問題点であったノイズ電流がその左右のブランチを非対称に流れ、量子ビット素子に対して磁気的に結合してコヒーレンスを乱してしまい、これによって量子ビット素子間の結合（相互作用）を制御するための制御線を通じて外部から侵入して来るノイズと量子ビット素子との結合が強くなってしまうことにより、量子ビット素子のコヒーレンスが損なわれてしまうという問題が解消される。
尚、実施例の量子演算回路では、２つの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２と結合用超伝導磁束量子ビット１０３とによる簡素な構成を示したが、変形例として超伝導磁束量子ビット素子１０２の周囲に対して結合用超伝導磁束量子ビット１０３と同等な超伝導ループ（超伝導トランスフォーマー）を配置し、更にその周囲に超伝導磁束量子ビット素子１０２と同等な超伝導ループを配置するパターンを繰り返して並設すれば、ｎ個の量子ビット（多ビット化）へと拡張した構成とすることも容易に可能である他、或る量子ビットの情報を読み出すために、結合用超伝導磁束量子ビット１０３と同等な超伝導ループ、並びに超伝導磁束量子ビット素子１０２と同等な回路構成の読み出し回路（超伝導ループ）を配置し、読み出し回路の量子ビットへの影響を抑えた読み出し安定化機能を実現することも可能であるため、本発明の量子演算回路は、実施例で説明したものに限定されない。FIG. 1 shows a basic configuration and characteristics of a quantum arithmetic circuit including a variable coupler according to an embodiment to which the qubit variable coupling method of the present invention is applied. FIG. 1A is a circuit diagram showing the basic configuration. (B) is related to the energy dependence characteristics with respect to the applied magnetic flux quantum number of the variable coupler, which is the main part, and (c) is a circuit current (expected value) with respect to the applied magnetic flux quantum number of the variable coupler. FIG. 6D relates to the dependency characteristic and the inductance dependency characteristic to the applied magnetic flux quantum number of the variable coupler.
Each of the quantum arithmetic circuits has a predetermined number (here, three) Josephson couplings, forms a superconducting loop, and is adjacent to each other of the first superconducting flux qubit element 101 and And a second superconducting flux qubit element 102. Further, a coupling superconducting flux qubit element 103 is provided between the first and second superconducting flux qubit elements 101 and 102.
The coupling superconducting flux qubit device 103 shown in the figure has a predetermined number (here, three) of Josephson couplings in the same manner as the first and second superconducting flux qubit devices 101 and 102, and A superconducting loop is formed. The coupling superconducting flux qubit device 103 couples between the first superconducting flux qubit device 101 and the second superconducting flux qubit device 102, and the coupling interaction is a microwave pulse. It operates as a function of a variable coupler (superconducting transformer) that is variably controlled parametrically by application of.
More specifically, the first superconducting flux qubit device 101 and the second superconducting flux qubit device 102 have different characteristic frequencies (here, Δ1 and Δ2), and the quantized magnetic flux Biased at 1/2. On the other hand, the superconducting flux qubit device 103 for coupling has a characteristic frequency (here, expressed as Δ3) different from that of the first and second superconducting flux qubit devices 101 and 102, and is used as a microwave pulse. By applying a wave magnetic field pulse, the coupling between the first and second superconducting magnetic flux qubit elements 101 and 102 can be turned on and off. In this example, a microwave magnetic field pulse equal to the frequency difference between the first superconducting flux qubit device 101 and the second superconducting flux qubit device 102 is applied to the coupling superconducting flux qubit device 103. Inducing coupling between the first superconducting flux qubit device 101 and the second superconducting flux qubit device 102.
In the case of the quantum operation circuit shown in FIG. 1A, the first superconducting flux qubit element 101 is a qubit from which information is to be read, and the second superconducting flux qubit element 102 is a readout circuit. The superconducting magnetic flux qubit element 103 for coupling is arranged in the configuration.
Each of the electric circuits of the qubit elements 101 to 103 is formed on an insulating substrate (not shown) with little loss in the high frequency region. Examples of the substrate material include sapphire, magnesium oxide, silicon on which a thermal oxide film is formed, and the like. All the wirings for the electric circuit are superconducting wirings, and no heat is generated by passing a current. Examples of the superconductive material include aluminum, niobium, niobium nitride, and the like.
Each of the two superconducting flux qubit devices 101 and 102 is composed of a superconducting loop having three Josephson junctions as described above, but one of the three Josephson junctions (located in the central portion). Is slightly smaller than the other two adjacent ones. The characteristic frequencies Δ1 and Δ2 of the superconducting flux qubit devices 101 and 102 are designed to be a use frequency of about 5 GHz, but the difference frequency (detuning | Δ1−) of the superconducting flux qubit devices 101 and 102 is designed. Δ2 |) is designed to be about 1 GHz. These superconducting flux qubit elements 101 and 102 are biased at an optimum bias point for maintaining coherence by a static magnetic field applied from the outside, that is, as described above, ½ of the quantized magnetic flux.
For the coupling superconducting flux qubit device 103, the characteristic frequency Δ3 is set to about 15 GHz so that it is far away from the characteristic frequencies Δ1 and Δ2 of the superconducting flux qubit devices 101 and 102, and the heat corresponding to the environmental temperature of 10 mK. It is sufficiently larger than energy and is always in the ground state, and is biased with a magnetic flux slightly deviating from 1/2 of the quantized magnetic flux.
For the coupling superconducting magnetic flux qubit element 103 that is a variable coupler, the energy dependence characteristic (flux dependence of energy) with respect to the applied magnetic flux quantum number shown in FIG. 1B, the applied magnetic flux quantum number shown in FIG. Current (expected value) dependence characteristics with respect to (which is a derivative of the previous magnetic flux, expressed as an expected value of the circulation current), and an inductance dependence characteristic with respect to the applied magnetic flux quantum number shown in FIG. (The reciprocal 1 / LQ of the self-inductance LQ is expressed as a function of the magnetic flux), and the ground state is compared with the excited state on the waveform. It can be seen that the physical quantity or electrical value on the vertical axis shows a symmetrical shape that increases or decreases with respect to the change. Incidentally, the superconducting magnetic flux qubit elements 101 and 102 have similar properties.
Here, considering the effective mutual inductance L eff between the superconducting flux qubit elements 101 and 102, the mutual inductance between the superconducting flux qubit elements 101 and 102 is M 12 , and the superconducting flux qubit element 101 is. If the mutual inductance between the coupling superconducting flux qubit device 103 M 13, the mutual inductance between the coupling superconducting flux qubit element 103 and a superconducting flux qubit device 102 was set to M 23 and, Since L eff = M 12 −M 13 M 23 / LQ, the relationship is expressed as a function of magnetic flux penetrating the coupling superconducting magnetic flux qubit element 103 through the magnetic flux dependence of LQ.
Assume that the magnetic flux bias of the coupling superconducting magnetic flux qubit element 103 is set to the point where the change in effective mutual inductance is the largest as shown by black circles in the ground state in FIG. At this time, even when the microwave magnetic field pulse is not applied from the outside, although there is a magnetic coupling between the superconducting flux qubit elements 101 and 102, the superconducting flux qubit elements 101 and 102 are It is biased to the optimum operating point where the expected value of the superconducting current circulating around them is zero, and the difference frequency (detuning | Δ1−Δ2 |) larger than the strength of the magnetic coupling is placed. As a result, energy is not transferred between the superconducting flux qubit elements 101 and 102, and the coupling interaction between the superconducting flux qubit elements 101 and 102 is effectively turned off.
In order to turn on the coupling interaction between the superconducting flux qubit devices 101 and 102, a microwave magnetic field pulse having a difference frequency (detuning | Δ1−Δ2 |) is coupled to the superconducting flux qubit device 103 for coupling. It may be applied to. In such a case, the inductance of the coupling superconducting flux qubit element 103 is a function of the magnetic flux, and the function of the magnetic flux is oscillatingly changed by the microwave magnetic field pulse. The coupling between the conduction flux qubit elements 101 and 102 is induced parametrically.
In the case of such a quantum operation circuit, the mutual coupling action between adjacent superconducting flux qubit elements 101 and 102 can be variably controlled via the coupling superconducting flux qubit element 103. The problem that the interaction between the qubit elements, which was the first problem, is fixed and is not variable is solved.
Further, in the case of this quantum operation circuit, the superconducting flux qubit elements 101 and 102 are biased at 1/2 of the quantized magnetic flux as having significantly different characteristic frequencies, so that static magnetic coupling is achieved. Since it is negligible and the interaction of coupling between the superconducting magnetic flux qubit elements 101 and 102 can be completely turned off in the off state in which no microwave magnetic field pulse is applied, the second problem of the related art. The problem that the coupling (interaction) between the existing qubit elements cannot be completely turned off is solved.
Further, in the case of this quantum operation circuit, when coupling (interaction) between superconducting flux qubit elements 101 and 102 is controlled by inducing coupling (interaction) parametrically using a microwave magnetic field pulse. Since the bias point of each of the qubit elements 101 to 103 does not change (particularly in the superconducting magnetic flux qubit element 103 for coupling) and the operating point of the qubit elements 101 to 103 does not deviate from the optimum condition, Since the coherence time of the bit device (especially, the superconducting flux qubit devices 101 and 102) can be kept long, the operating point of the qubit device, which has been the fifth problem of the prior art, deviates from the optimum condition. The problem of shortening the coherence time of the bit element is solved.
In addition, in the case of this quantum operation circuit, direct magnetic coupling between superconducting flux qubit elements 101 and 102 arranged adjacent to each other for coupling between superconducting flux qubit elements 101 and 102 is used. Without using the coupling superconducting flux qubit element 103 as a superconducting transformer, the distance between the superconducting flux qubit elements 101 and 102 can be made sufficiently large, and the signal for controlling the qubit can be obtained. Since crosstalk can be suppressed, the control current that flows when controlling the state of the qubit element, which was the fourth problem of the prior art, or when controlling the interaction between qubit elements, The problem that the cross coupling to the qubit device cannot be prevented is solved.
Further, in the case of this quantum arithmetic circuit, the symmetry of the superconducting flux qubit elements 101 and 102 itself is not used to turn off the coupling (interaction) between the superconducting flux qubit elements 101 and 102. Because there are few restrictions on the type and arrangement of the qubit elements to be used and the qubit elements themselves have a special structure symmetry in order to turn off the coupling (interaction), which was the third problem of the prior art. The constraint problem (which can only be applied to superconducting flux qubit devices) is eliminated.
Further, in the case of this quantum arithmetic circuit, by optimizing the bias condition of the coupling superconducting flux qubit element 103, the fluctuation of the magnetic flux in the coupling superconducting flux qubit element 103 is changed to the superconducting flux qubit element 101. , 102 can be prevented from being affected and no additional decoherence can be provided, so that the noise current that has been the sixth problem of the prior art flows asymmetrically through the left and right branches, Coherence is disturbed by magnetically coupling to the qubit device, and noise entering from the outside through a control line for controlling coupling (interaction) between the qubit devices and the qubit device As a result, the problem that the coherence of the qubit device is impaired is solved.
In addition, in the quantum arithmetic circuit of the embodiment, a simple configuration including the two superconducting flux qubit devices 101 and 102 and the coupling superconducting flux qubit 103 is shown. However, as a modification, the superconducting flux qubit device 102 is used. A pattern in which a superconducting loop (superconducting transformer) equivalent to the superconducting flux qubit 103 for coupling is arranged around the periphery of the magnetic flux and a superconducting loop equivalent to the superconducting flux qubit element 102 is arranged around the superconducting loop. If it is repeatedly arranged in parallel, it can be easily expanded to n qubits (multi-bit), and in order to read out information of a certain qubit, a superconducting flux quantum for coupling is used. A superconducting loop equivalent to the bit 103 and a readout circuit (superconducting loop) having a circuit configuration equivalent to that of the superconducting flux qubit element 102 are arranged, and the readout circuit Since it is possible to realize a read stabilization with less impact to the child bit quantum computation circuit of the present invention is not limited to those described in the Examples.

本発明は、量子コンピュータ、量子中継器に使用される量子演算回路に適用できる。
この出願は、２００６年９月５日に出願された日本出願特願第２００６−２３９８２１号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。The present invention can be applied to quantum arithmetic circuits used in quantum computers and quantum repeaters.
This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2006-239821 for which it applied on September 5, 2006, and takes in those the indications of all here.

Claims (7)

第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する量子ビット結合方法において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合したときの相互作用を該結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加してパラメトリックに可変制御する制御段階を有することを特徴とする量子ビット可変結合方法。  In the qubit coupling method for coupling the first qubit element and the second qubit element, when the first qubit element and the second qubit element are coupled by a coupling qubit element. And a control step of variably controlling the interaction in a parametric manner by applying a microwave pulse to the coupling qubit device. 請求項１記載の量子ビット可変結合方法において、前記制御段階では、前記結合用量子ビット素子により前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間の結合をオンオフすることを特徴とする量子ビット可変結合方法。  2. The qubit variable coupling method according to claim 1, wherein in the control step, the coupling between the first qubit element and the second qubit element is turned on and off by the coupling qubit element. Quantum bit variable coupling method. 請求項２記載の量子ビット可変結合方法において、前記制御段階では、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子として、隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子を用い、前記結合用量子ビット素子として、所定数のジョセフソン結合を有し、且つ超伝導ループを形成すると共に、前記結合をオンオフするために前記マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により前記超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子を用いたことを特徴とする超伝導磁束量子ビット可変結合方法。  3. The qubit variable coupling method according to claim 2, wherein, in the control step, the first qubit device and the second qubit device are arranged adjacent to each other and biased with a half of the quantized magnetic flux. Using a superconducting magnetic flux qubit device having a different characteristic frequency, having a predetermined number of Josephson couplings as the coupling qubit device, forming a superconducting loop, and turning the coupling on and off A superconducting flux qubit device for coupling having a characteristic frequency different from that of the superconducting flux qubit device inducing coupling between two of the superconducting flux qubit devices by applying a microwave magnetic field pulse as a wave pulse. A superconducting flux qubit variable coupling method characterized by comprising: 第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子と、前記第１の量子ビット素子と前記第２の量子ビット素子との間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子とを有することを特徴とする量子演算回路。  The first qubit device and the second qubit device are coupled to each other between the first qubit device and the second qubit device, and the coupling interaction is applied by applying a microwave pulse. A quantum arithmetic circuit having a coupling qubit element variably controlled parametrically. 請求項４記載の量子演算回路において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子は、隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子であり、前記結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、前記結合をオンオフするために前記マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により前記超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子であることを特徴とする量子演算回路。  5. The quantum operation circuit according to claim 4, wherein the first qubit device and the second qubit device are arranged adjacent to each other and biased by ½ of the quantized magnetic flux and have different characteristic frequencies. A magnetic flux qubit device, wherein the coupling qubit device has a predetermined number of Josephson couplings to form a superconducting loop, and a microwave magnetic field as the microwave pulse to turn the coupling on and off A superconducting flux qubit device for coupling having a characteristic frequency different from that of the superconducting flux qubit device inducing a coupling between the two of the superconducting flux qubit devices by applying a pulse. Arithmetic circuit. 第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を可変結合する可変結合器において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスによりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子から成ることを特徴とする可変結合器。  In the variable coupler that variably couples between the first qubit element and the second qubit element, the first qubit element and the second qubit element are coupled, and the coupling A variable coupler comprising a coupling qubit device that variably controls interaction with a microwave pulse in a parametric manner. 請求項６記載の可変結合器において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子が隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子である場合における前記結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、前記結合をオンオフするために前記マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により前記超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子であることを特徴とする可変結合器。  The superconducting magnetic flux according to claim 6, wherein the first qubit device and the second qubit device are arranged adjacent to each other and are biased with ½ of the quantized magnetic flux and have different characteristic frequencies. The coupling qubit device in the case of a qubit device has a predetermined number of Josephson couplings to form a superconducting loop, and a microwave magnetic field as the microwave pulse to turn the coupling on and off A coupling superconducting flux qubit device having a characteristic frequency different from that of the superconducting flux qubit device inducing coupling between the two of the superconducting flux qubit devices by applying a pulse. Combiner.
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